（无机化学专业论文）栎精23双加氧酶模型配体和配合物的合成、表征及其反应性.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本论文围绕当今国际上有关分子氧的活化及利用分子氧的生物氧化等研究热点 以 分子水平上阐明g l u 7 3 的羧基 金属中心及配体的电子效应等对栎精2 3 双加氧酶 q u e r e e t i n2 3 d i o x y g e n a s e 简称2 3 q d 活性中心的结构 反应性 分子氧的活化机 理的影响及其构一效关系为目的 开展了如下探索性的工作 1 设计 合成了分子内苯基侧臂上未导 导入羧基并羧基的间位导入吸电子基b r 的3 个新的烷基 p t t 啶胺 b i s 2 p y r i d y l a l k y l a m i n e 2 3 一q d 模型配体l 5 l 6 l 7 h 并用m 质谱 n m r 熔点测定等方法进行了表征 其中 l 7 h 尚未见文献报道 2 用所合成的模型配体以乙酸根作为共配体 设计 合成了7 个新的相应过渡金 属m i i m c u f e c o 的2 3 q d 二元模型配合物 并用瓜 u v v i s e s i m s x 射线衍射等方法进行了表征 其中 解析了2 个模型配合物6 和7 的x 射线晶体结构 结果表明具有非常类似的四方锥配位环境 在设计模型配合物的结构时 不仅考虑了酶 的催化部位 也考虑了底物的结合部位 这也正是我们的创新点和独到之处 3 设计 合成了5 个新的过渡金属m i i m c u f e c 0 包含底物的2 3 q d 三 元模型配合物 并用取 w v i s e s i m s 等方法进行了表征 4 用u v v i s 追踪的方法研究了所合成的二元和三元模型配合物与底物黄酮醇及分子 氧的反应性 并通过比较研究来初步探讨了金属中心 分子内导入的羧基 配体的电子 效应和刚性及共配体效应对2 3 q d 模型配合物的结构 反应性的影响及其构 效关系 得到了一些重要的结论 虽然模型配合物的结构类似但其反应性却明显不同 具体如下 相同金属 当分子内导入羧基时 较未导入羧基的反应性高得多 即反应性 l 1 h l 5 相同金属 当羧基的间位导入吸电子基团b r 时 较未导入吸电子基团的反应性 高得多 即反应性 l t l t l 1 h 相同配体 由于中心金属离子不同 其反应性明显不同 其反应性顺序为 f e c o c u 相同金属 相同配体 当共配体为羧酸根时 较共配体为c l 其反应性高得多 即反应性 o a c c l 相同金属 骨架碳链较长配体和较短的相比反应性高得多 即反应性 l 6 l 5 有关系统探讨分子内导入的羧基 金属中心 配体的电子效应及共配体效应等对 2 3 q d 模型配合物的结构 反应性的影响及其构 效关系等方面的研究尚未见文献报道 关键词 栎精2 3 一双加氧酶 分子氧的活化 羧基效应 配体的电子效应 中心金 属离子效应 栎精2 3 一双加氧酶模型配体及配合物的合成 表征及其反应性 s y n t h e s i s c h a r a c t e r i z a t i o na n dr e a c t i v i t yo fm o d e ll i g a n d sa n d c o m p l e x e sf o rt h ea c t i v es i t eo fq u e r c e t i n2 3 一d i o x y g e n a s e a b s t r a c t d i o x y g e na c t i v a t i o na n db i o m i m e t i co x i d a t i o no fc a r b o h y d r a t eu s i n gd i o x y g e ni so n eo f t h em o s ta c t i v ea r e a s a n dh a v er e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nt h er e c e n ty e a r s t 1 1 i sw o r k f o c u so nt h i sa c t i v ea r e a a i m i n ga tg e t t i n gi n s i g h t si n t ot h ec a t a l y t i cr o l eo fg l u 7 3 m e t a li o n e f f e c t s e l e c t r o n i ce f f e c to ft h el i g a n d sa n dt h ec o 1 i g a n d se f f e c to nt h es t r u c t u r ea n dr e a c t i v i t y o fq u e r c e t i n2 3 一d i o x y g e n a s e t h ef o l l o w i n ge x p l o r a t o r yw o r kh a sb e e na c c o m p l i s h e d t h r e en e wb i s 2 一p y r i d y l a l k y l a m i n em o d e ll i g a n d sc a r r y i n gan o n s u b s t i t u t e d ap h e n y l g r o u p o ram e t a b r e l e c t r o n w i t h d r a w i n gg r o u p s u b s t i t u t e do r t h o b e n z o i ca c i dd e r i v a t i v ea s t h el i g a n ds i d e a r m l s l 6a n dl 7 h h a v eb e e nd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d w h i c hh a v eb e e n c h a r a c t e r i z e db yi r u v v i s e s i m s 1 h n m ra n dm e l t i n gp o i n tm e a s u r e m e n t l 7 hh a sn e v e r b e e nr e p o r t e db e f o r e s e v e nn o v e lb i n a r yc o m p l e x e sa n df i v et e r n a r ym o d e lc o m p l e x e sm i i m f e c o a n dc u h a v eb e e nd e s i g n e d s y n t h e s i z e d a n dc h a r a c t e r i z e da st h es t r u c t u r a la n df u n c t i o n a l m o d e l sf o rt h ea c t i v es i t eo fq u e r c e t i n2 3 一d i o x y g e n a s e n ed e s i g n so fm o d e ll i g a n d sa n d c o m p l e x e sa r ev e r yu n i q u ew h i c hf o c u so nb o t hc a t a l y t i cs i t ea n dt h es u b s t r a t eb i n d i n gs i t e o ft h ee n z y l t l e t h es t r u c t u r e so f c o m p l e x6a n d7w e r ed e t e r m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o n a n d b o t hc o m p l e x e se x h i b i tas i m i l a rd i s t o r t e ds q u a r ep y r a m i d a lg e o m e t r y t h er e a c t i v i t yo ft h em o d e lc o m p l e x e st o w a r d sf l a v o n o la n dd i o x y g e nh a v eb e e n i n v e s t i g a t e db yu v v i sm o n i t o r i n g a l t h o u g ht h es t r u c t u r e so ft h em o d e lc o m p l e x e sa r e s i m i l a r t h er e a c t i v i t i e sa r ed i f f e r e n ts i g n i f i c a n t l y t h ec a b o x y l a t ee f f e c t s e l e c t r o n i ce f f e c t a n dr i g i d i t yo ft h el i g a n d s c o l i g a n d se f f e c t s m e t a li o ne f f e c t so nt h er e a c t i v i t yo ft h e m o d e lc o m p l e x e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ec o n c l u s i o n so fo u r s t u d ya r e a sf o l l o w s w i t ht h es a r f l em e t a li o n t h er e a c t i v i t yo fc o m p l e x e sw i t hs u b s t i t u t e dc a b o x l a t eg r o u p a r em u c hh i g h e rt h a nt h en o n s u b s t i t u t e do n e l 1 h l 5 w i t ht h e s a l i l em e t a l i o n t h er e a c t i v i t y o fc o m p l e x e sw i t hs u b s t i t u t e d e l e c t r o n w i t h d r a w i n gg r o u pb ra r em u c hh i g h e rt h a nt h en o n s u b s t i t u t e do n e l 7 h l 1 h w i t ht h es a l t l em e t a li o na n dl i g a n d t h er e a c t i v i t yo f c o m p l e x e sw i t hc o l i g a n do a c a r e m u c hh i g h e rt h a nc 1 o a c c i w i t ht h es a m el i g a n d t h er e a c t i v i t yo fd i f f e r e n tm e t a li o nm o d e lc o m p l e x e sa r eq u i t e d i f f e r e n ta n di nt h eo r d e r f e c o c u k e yw o r d s q u e r c e t i n2 3 一c l i o x y g e n a s e d i o x y g e n a c t i v a t i o n c a b o x y l a t e e f f e c t s e l e c t r o n i ce f f e c to ft h el i g a n d s m e t a lc e n t e re f f e c t s i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 若有不实之处 本人愿意承担相关法律责任 学位论文题目 拯癌至 立二 鼬裤酗堑樾蚴亟鲨趟 堑浏劬i 星 作者签名 毕正l 帆耳年 月华日 if f 栎精2 3 一双加氧酶模型配体及配合物的合成 表征及其反应性 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定 在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学 允许论文被查阅和借阅 学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文题目 蛐羔 丕二函鱼芄磁塑谜弪丕堡趁鱼盘娑建酸鳓 作者签名 逊 三日期 垄翌星年j l 月二 日 导师签名 骆交牝日期 尘嗥年上月掣 人连理j 人学硕士学位论文 分子氢 氮 氧 甲烷及一氧化碳等小分子不仅在工业生产上 而且在l l 常生活 中也是不可缺少的 然而这些小分子的工业制各及其活化通常需要高温 高压和催化 剂等条件 而这不仅消耗很多资源和能源 而且对环境产生很大的负荷 但在生物体 系中 这些反应在温和条件下很容易被金属酶和金属蛋白的催化作用下而进行 而这 与2 1 世纪化学工业所提倡的 绿色化学 省能源 省资源 可持续发展 是一致的 众所周知 分子氧足大量存在于空气中 并对生物尤其是动物和 丁农业生产必不可 少的化合物 氧分子在其两个反键矿轨道晕各有一个未成对电子因而是三重基态3 f 图01 由于氧分子作为氧化剂其本身最终被还原为水分子 而且在空气中大量存在 因此分子氧是最廉价和干挣的氧化剂 然而根据总角动量守恒原理 三重基忐的分子氧 不能直接与单重基卷的有机底物反应生成单重基态的产物 因此 空气中的氧分子一般 在工业生产中是不能直接利用的 而生物体中的某些金属陆和金属蛋白却可以活化分子 氧来直接利用于其各种生化反应中 图0 1 氧分子的分子轨道及其三重基态3 f f i g0 1 m o l e c u l e o r b i ta n d t r i p l e t g f o m ds t a t e3 e l o f t h e d i o x y g e n m 0 1 u l e 金属酶和金属蛋白的分子氧的输送和活化是生命活动中最根本的生理过程 能够活 化分子氧的金属蛋白和金属酶很多 主要是加氧酶和氧化酶 它们可以根据有没有卟啉 环骨架分为 i l l 红素和非血红素蛋白和酶 主要的血红素蛋白和酶是含铁血红素蛋白和 酶 而主要的非血红素蛋白和酶是含铁和含铜非血红素蛋白和酶 这些金属蛋白和酶中 分子氧以超氧阴离子0 2 一 s u p e r o x o 或 过氧化氢阴离子0 2 h 一 1 1 y d r o p e r o x o 过氧阴离 子0 2 卜 p e r o x o 及b i s p o x o 等与金属离子以各种不同的形式配位形成各种金属 氧活性 中间体 图0 2 影响铜 氧活性中州体的结构和反应性的可能的因素有很多 如配体 的齿数 空 白 位阻 取代基的电子效应 配位原子及巾心金属离子等 这些活性氧中间 体在生物体系中承担着运送和储存氧的作用 或各种氧化反应如烯烃的环氧化 饱和烃 栎精2 3 一双加氧酶模型配体及配合物的合成 表征及其反应性 的羟基化等官能化反应的中间体 l m o o l m 7 o o a b c d l 孓m l l l6 m l l m p 眦l m 眦l p 一 l hi j 图0 2 生物体中存在的金属 氧配合物的结构 f i g 0 2 s t r u c t u r e so fm e t a l d i o x y g e nc o m p l e x e si nt h eo r g a n i s m 为弄清金属蛋白和酶及其活性中心和活性氧中间体的结构 分子氧的活化机理及 其构一效关系等 生物化学家和分子生物学家等从生物化学的角度出发用天然酶做了很 多尝试和努力 取得了可喜的成果 遗憾的是由于金属生物高分子的尺寸庞大 很难 获得有关金属配位层高分辨结构信息 其他物理性质有时也很难测试 某些特殊的金 属中心的氧化还原电位也很难测试 研究金属离子在生物高分子中的反应性也非常难 等原因 还有很多问题有待进一步解决 因此 生物无机化学家常常用人工合成的配 位环境与生物高分子活性中心金属离子的配位环境类似的简单配合物 尽可能地复制 生物高分子中金属离子的物理和化学性质及其生物功能 从中得到一些通过直接研究 生物高分子本身不能得到的信息 从而揭示重要的生物过程和复杂的生物大分子配合 物的结构 性质 生物功能 活性中间体 催化机理及其结构与功能之间的相关性 这种过程就称为生物模拟研究 b i o m i m e t i cs t u d y 而所合成的简单配合物就称为模型配 合物 m o d e lc o m p l e x e s 氧化反应可使活性低的碳氢化合物官能团化 从而得到各种有机合成中间体 因 此是有机合成中最重要的反应 然而由于控制困难 生成物很容易进一步被氧化成复 杂的混合物 分离困难 转化率低 选择性差等遗留下来的问题 氧化反应也成为最 难的有机化学反应之一 用最廉价和干净的氧化剂分子氧和过氧化氢在温和条件下高 2 o o j o o j 大连理i r 大学硕十学位论文 效 高选择性地生物氧化活性低的碳水化合物 不仅在有机合成化学中 而且因其与 尚未被利用的碳素资源等有关而引起了极大关注 虽然天然的生物酶在温和条件下进行反应 因而具备消耗能源和资源少 c 0 2 排 放量少 对环境的负荷少和选择性高等优点 但由于生产率低 反应时间长 成本昂 贵等原因 其实际应用受到限制 因此 用简单的过渡金属模型配合物来生物模拟金属酶和金属蛋白的活性中心和活 性氧中间体的结构 反应性 分子氧的活化机理及其构一效关系 不仅对分子水平上进 一步阐明金属酶和金属蛋白的活性中心和活性氧中间体的结构 反应性 分子氧的活化 机理及其构 效关系 而且对开发高效 高选择性 廉价的绿色b i o i n s p i r e d 生物氧化 人工酶 环境治理 可持续发展等方面具有非常重要的理论意义和现实意义 也是当今 国际生物无机领域的研究热点 3 栎精2 3 双 b n 氧酶模型配体及配合物的合成 表征及其反应性 1文献综述 1 1加氧酶 加氧酶是一族催化氧化形形色色天然有机物重要的新陈代谢的酶 通过将氧气中的 氧原子插入到底物中而起到催化氧化作用 氧气自身被还原成水或者是过氧化氢 加氧酶根据插入底物中氧原子个数的不同可分为单加氧酶 m o n o o x y g e n a s e 和双 加氧酶 d i o x y g e n a s e 单加氧酶是把分子氧的一个氧原子插入到有机底物中去的酶 而双加氧酶是把分子氧的两个氧原子插入到有机底物中去的酶 双加氧酶是难降解芳香 族化合物降解过程的基本的中介者 它们在生物合成 各种代谢物的异化作用及若干抗 病毒机理中起着非常重要的作用 然而他们的生物学重要性还是在于催化芳香族化合物 的降解 l 典型的单加氧酶包括细胞色素p 4 5 0 甲烷单加氧酶等 而典型的双加氧酶 包括儿茶酚双加氧酶 酸式还原酮双加氧酶及栎精2 3 双加氧酶等 根据总角动量守恒原理 三重基态的分子氧不能直接与单重基态的底物反应生成单 重基态的产物 很多双加氧酶需要金属辅因子 用得比较多的是f e i i 和f e i i i 和 f e i i i 最普遍的双加氧酶是单核非血红素含铁酶 有关e x t r a d i 0 1 和i n t r a d i 0 1 型儿茶酚 双加氧酶 c a t e c h o ld i o x y g e n a s e s 研究得较详细 2 3 e x t r a d i 0 1 型儿茶芬双加氧酶是用 f d 离子与分子氧直接配位来活化分子氧 然而i n t r a d i 0 1 型儿茶酚双加氧酶是用f e 3 离子攻击分子氧之前先活化它们的底物 虽然两种类型的酶活化分子氧的机理不同 但 都用金属辅因子来克服自旋屏障使三重基态的分子氧直接与单重基态的底物反应 含有 其他金属中心的双加氧酶f i l l 4 5 m n 6 1 m t 7 1 也有报道 但有关它们的研究却很少 迄今为止 共发现了4 种利用分子氧催化氧化断裂有机底物的c c 键并把分子氧的 两个氧原子插入到有机底物中去 同时放出一氧化碳的原核生物的双加氧酶 它们分别 是栎精2 3 双加氧酶 q u e r c e t i n2 3 d i o x y g e n a s e 简称2 3 q d 4 3 羟基一4 羰基一1 h 2 甲基喹啉一2 4 一双加氧酶 3 h y d r o x y 4 一o x o 一1 h q u i n a l d i n e2 4 d i o x y g e n a s e 简称h o d r m e 3 一羟基 4 羰基一1 h 喹啉 2 4 双加氧酶 3 h y d r o x y 4 o x o 1 h q u i n o l i n e2 4 d i o x y g e n a s e 简称q d o r h 1 5 1 引 及 s 1 2 二羟基 3 羰基 5 甲硫基戊烯阴离 子一l 3 一双加氧酶 s 1 2 d i h y d r o x y 3 o x o 一5 一 m e t h y l t h i o p e n t e n ea n i o n1 3 d i o x y g e n a s e 也叫酸式还原酮 酸式二羟丙烯醛 双加氧酶 a c i r e d u c t o n ed i o x y g e n a s e 简称a r d 1 9 3 5 o 1 2 典型单加氧酶 1 2 1 细胞色素p 4 5 0 迄今为止 研究最为广泛的含铁加氧酶是细胞色素p 4 5 0 3 6 细胞色素p 4 5 0 在生 4 大连理下大学硕 学位论文 物体内脂的代谢以及类固醇的合成中扮演重要角色 除此之外 细胞色素p 4 5 0 作为单 加氧酶的一种 能够有效催化一系列具有重要生理学意义的底物的氧化 它的结构在三 十年以前已经就已经被人们所了解 中心铁离子和配体原卟啉配位 形成一个近似平面 的结构 在这个平面结构的轴向位置上 还存在一个半胱氨酸配位 3 1 7 1 细胞色素p 4 5 0 以及它的卟啉铁类模型配合物活化氧气氧化烷烃或烯烃的过程 经过广泛的研究已被深 入了解 公认的细胞色素p 4 5 0 活化分子氧及底物的机理是这样的 在这个过程中底物 率先和f e i i i 中心结合 f e i i i 经历单电子还原成为f e i i 紧接着 一分子的0 2 和 铁络合 伴随着一个单电子还原过程 以及转移一个质子 形成f e m o o h 过氧化中间 体 f e m o o h 进一步发生o o 异裂 生成f e v o 高价铁中间体 这个高价念铁中间体 则直接负责底物的氧化 最近 s h l i c h t i n g 等人确认了p 4 5 0 c a m 体系中f e v o 中间体的 晶体结构 3 8 1 为机理研究方面提供了新的有力证据 细胞色素p 4 5 0 在活化分子氧的过 程中 呈现出许多加氧酶体系典型的特性 因此 理解细胞色素p 4 5 0 的氧化反应机理 能帮助我们更好地认识双加氧酶体系中某些中间体 1 2 2 甲烷单加氧酶 甲烷单加氧酶 m m o 是一种被广泛研究的双核铁非血红素加氧酶 它是从甲烷 营养细菌 m e t h n a o r t o p h i c b a c e t r i a 中提取的能够利用氧气将甲烷氧化为甲醇的酶 细 菌本身利用这一过程为自身生长提供能量 8 甲烷单加氧酶不但可以催化甲烷等轻烷烃 的氧化 还可以和长链烷烃 炔烃以及硫醚等多种底物反应 m m o 活性中心由羟化酶 还原酶和调整酶三部分组成 其中 最重要的是m m o 羟化酶 m m o h 它直接负责 底物的氧化 m m o h 活性中心具有以羧基桥相连的双核铁结构 3 9 1 配体部分为四个g l u 谷氨酸 和两个h i s 组氨酸 还原态m m o h m m o h r e d 和氧化态m m o h m m o h o x 的晶体结构 图1 1 表明 m m o h r e d 中含有两个f e i i 其中每个f e i d 只与一个组氨 酸咪唑基上的氮配位 其余位置均被谷氨酸上的羧基氧占据 形成一个富氧的配位环境 两个f e i i 中 其中一个为五配位另一个为六配位 形成一个不对称的配位环境 其中 六配位环境中有一个位置被易离去基团水分子的氧占据 这样的不饱和结构易与分子氧 结合 发生氧化反应 而m m o h o x 中的两个f e i i i 均为六配位结构 其中两个f e i i i 中心之间以羧桥相连 基于m m o 羟化酶的这种结构 合成含亚铁的 配位环境不对称且富含氧原子的模 型配合物已经成为研究的热点 但是由于亚铁配合物在动力学上的不稳定性 迄今为止 文献报道为数不多 目前 这方面的研究更多地集中于m m o 模型配合物的合成及其结 构和光谱表征 并与天然酶的结构和光谱性质进行比较 然而对其催化性能的研究却较 少 5 栎精2 3 一双加氧酶模型配体及配合物的合成 表征及其反应性 秽g t u x n h 隧太hn 留气 o l o l u g l uo 夕 g i u g i u 1 3 典型双加氧酶 1 3 1 儿茶酚双加氧酶 儿茶酚双加氧酶 c a t e c h o ld i o x y g e n a s e 是一种非血红素双加氧酶 它广泛存在于 土壤细菌当中 是负责自然环境中芳香族化合物裂解的最后一个步骤的功能酶 芳香族 化合物不能直接被生物细胞所利用 双加氧酶利用氧气氧化断裂儿茶酚类芳香化合物的 双键 将其转化为直链型化合物 并把两个氧原子插入到底物当中 生成可直接被生物 细胞利用的产物 为细胞生长提供碳源 根据儿茶酚双键断裂位置的不同 双加氧酶可 分为两类 i n t r a d i 0 1 儿茶酚双加氧酶 儿茶酚内裂解酶 和e x t r a d i 0 1 儿茶酚双加氧酶 儿 茶酚外裂解酶 i n t r a d i 0 1 儿茶酚双加氧酶把两个羟基之间的c c 双键氧化断裂 而 e x t r a d i 0 1 儿茶酚双加氧酶把羟基碳原子和相邻非羟基碳原子之间的c c 双键氧化断裂 图1 2 尽管i n t r a d i 0 1 和e x t r a d i 0 1 儿茶酚双加氧酶的底物相同 但是它们的活性中心结 构 产物以及反应机理都存在着很大的不同 儿茶酚内裂解酶的活性中心为f e h l h i s 2 t y r 2 h i s 组氨酸残基 产物为二羧酬4 0 4 1 1 儿茶酚外裂解酶的活性中心为f e l l h i s 2 t y r 2 a s p g l u m f e 或m n 产物为醛酸 4 2 刨 0 2 c r 导r 嗡 图1 2 儿茶酚内裂解和外裂解产物 f i g 1 2 d i f f e r e n tp r o d u c t si ni n t r a d i o la n de x t r a d i o lc l e a v a g e s 6 人连理t 大学硕 学位论文 有关i n t r a d i o l 一儿茶酚双加氧酶的f e i i i 模型配合物的模拟研究有很多例报道 最早 的模拟系统是f e i i i n i t r i l o t r i a c e t a t e n t a 配合物 在这种配合物催化下分子氧将底 物3 5 二叔丁基儿茶酚转化成一种呋喃衍生物 x 射线晶体结构衍射表明 底物与金属 离子是双齿配位 金属中心周围形成近似八面体结构 在中间体的研究方面 同位素示 踪就结果表明 分子氧将氧原子插入到底物中形成呋喃酮 同时存在酸酐中间体m 4 6 q u e 等人研究了很多f e i i i 配合物 认为其中f e i i i s 2 一p y r i d y l m e t h y l a m i n e t p a 最为活泼 x 射线晶体结构和1 h n m r 光谱表明 这种配合物的结构与i n t r a d i 0 1 儿茶芬双加氧酶的活性中心结构很接近 提出了f e i i s e m i q u i n o n e 中间体参与分子氧 的观点 他们认为配合物中f e i i i l e w i s 酸性越强 与底物3 5 一二叔丁基儿茶酚反应性 越强 在考察底物的电子效应对模型配合物的反应性影响方面 他们发现当将儿茶酚上 的取代基由吸电子基变为供电子基时配合物的荷移跃迁带向长波方向移动 但与底物的 反应性却明显增强 而其原因还没有报道 4 8 等对烷烃羟基化非血红素铁加氧酶 如 铁博来霉素 和儿茶酚内裂解酶的活性中心进行了化学模拟 设计合成了一系列非血红 素铁功能模型配合物 并重点考察了铁模型配合物催化烷烃羟基化的性能 f e i i i 四齿 氮配体的配合物作为i n t r a d i 0 1 儿茶芬双加氧酶的模拟研究结果表明 配合物中f e i i i l e w i s 酸性越强 则配合物的反应性越好 而且认为配合物的荷移跃迁带的迁移与底物 的电子结构及反应性有很大关系 e x t r a d i 0 1 型儿茶芬双加氧酶的模拟研究比较少 因为模拟e x t r a d i o l 一型儿茶芬双加氧 酶的反应似乎更困难一些 要求在质子的参与下 一个同一平面的三齿配体与儿茶酚离 子配位 并且发现f e 1 i 具有选择性 这些结果与e x t r a d i 0 1 型儿茶芬双加氧酶的活性中 心的发现是一致的 q u e 等人在研究f e i i 或者f e i i i 1 4 7 三氮杂壬烷 t a c n 模型 配合物的过程中 发现f e c l 2 t a c n 更倾向于e x t r a d i 0 1 型氧化开环 4 2 1 这可能会给 e x t r a d i 0 1 型儿茶芬双加氧酶的模拟研究带来新的契机 1 3 2 3 羟基 4 羰基一1 h 2 甲基喹啉 2 4 双加氧酶 3 羟基一4 羰基 1 h 2 甲基喹啉 2 4 双加氧酶 3 h y d r o x y 4 o x o 1 h q u i n a l d i n e2 4 d i o x y g e n a s e 简称h o d r m e 是一种从生长在喹哪啶 甲基喹啉 上的土壤细菌类 微生物中发现的双加氧酶 它利用分子氧把3 羟基 4 羰基 1 h 2 甲基喹啉等芳香族化合 物或杂环芳香族化合物催化氧化为相应的开环氧化产物 n b e n z o y l a n t h r a n i l i ca c i d 和 一氧化碳的双加氧酶 图1 3 非常有趣的是 不像大多数加氧酶 h o d 不用任何金属 辅因子及有机辅因子而直接活化分子氧 由于这一独特的性质 因此从上一年代开始引 起了科学家们的极大关注 l5 1 8 在非质子溶剂d m f 中 在叔丁氧钾这种碱催化剂的作用 下 h o d 完全能够利用分子氧 将底物3 羟基 4 羰基 1 h 2 甲基喹啉氧化成相应的产物 这就为h o d 的模型研究提供了研究了依据 7 栎精2 3 一双加氧酶模型配体及配合物的合成 表征及其反应性 1 3 3 3 羟基 4 羰基一l h 喹啉 2 4 双加氧酶 3 羟基一4 一羰基一lh 喹啉 2 4 双加氧酶 3 一h y d r o x y 一4 一o x o 一1 h q u i n o l i n e2 4 d i o x y g e n a s e 简称q d o r h 是一种从假单胞菌中提取出来的双加氧酶 它也是利用分子氧把 3 羟基 4 羰基 1 h 2 甲基喹啉等芳香族化合物或杂环芳香族化合物催化氧化为相应的开 环氧化产物 n b e n z o y l a n t h r a n i l i ca c i d 和一氧化碳的双加氧酶 图1 3 由于与h o d 有非常类似的性质 从上一年代开始q d o 就引起了科学家们的高度关注 l 孓1 8 同样在碱 催化剂的作用下 3 羟基 4 羰基 1 h 2 甲基喹啉完全能够利用分子氧 将底物氧化成相 应的产物 h r h o r h m e h o do r q d o 图1 3h o d 或q d o 与底物及分子氧的反应示意图 f i g 1 3 r e a c t i o ns c h e m eo fh o do rq d 0 谢t ht h es u b s t r a t ea n dd i o x y g e n 基于h o d 和q d o 这种无需任何辅因子的独特性质 有关这两种加氧酶活化分子氧 的机理方面一直存在一个难题 三线态氧是如何被活化 从而与单线态有机化合物反 应 目前比较公认的有两种假设 形成蛋白质自由基和底物衍生物自由基 a 或者从 去质子化底物到分子氧之间发生直接电子转移 b 形成自由基 但是这两种假设机理 到底哪一种更可靠还不是很清楚 图1 4 e w o o o o啦0 一咚 图1 4 分子氧和3 羟基 4 羰基 i h 2 苯基喹啉9 可能的活化模式 f i g 1 4p r o b a b l em o d e so fa c t i v a t i o no f1h 2 p h e n y l 一3 h y d r o x y 4 一o x o q u i n o l i n ea n dd i o x y g e n 有关q d o 和h o d 的模拟研究都是选用3 羟基 4 羰基 1 h 2 苯基喹啉 p h q u i n h 为模 拟底物 由于p h 1 u i n h 与2 3 q d 催化氧化的底物母体黄酮醇是等电子体 而2 3 一q d 中含 有c u i i 因而q d o 和h o d 的模拟研究思路被拓展为两个方面 一方面 设计合成含有c u i i 的3 羟基 4 羰基 1 h 一2 苯基喹啉模型配合物 通过x 射线单晶衍射等分析测试手段确定 矿删 q 眯 人连理t 大学硕十学位论文 其结构 结合一系列的模型配合物的反应性实验推测可能的氧化反应机理 另一方面 研究不含任何会属辅因子时 在不同溶剂中 在叔丁氧钾这种碱催化剂的作用下分子氧 与底物p h q u i n h 的反应性 并探讨可能的机理 有关第一方面 研究得最多的是匈牙利 的s p e i e r d 组 他们先后采用d m f 3 3 i m i n o b i s n n d i m e t h y l p r o p y l a m i n e i d a p a h n n n n t e t r a m e t h y l e t h y l e r i e d i a m i n e t m e d a p p h 3 等简单配体或者单纯的多胺类配 体 图1 5 等合成了p h q u i n h 的模型配合物 4 9 5 0 并探讨模型配合物的对底物及分子氧 的活性的影响 其o p c u u p h q u i n h 2 在d m f 中与分子氧反应的产物结构已经通过x 射线单 晶衍射确定 图1 6 b c u p h q u i n h 2 与分子氧的可能反应机理的探讨提供了证据 i d p a h t m e d a 图1 5q d o 和h o d 模犁配体的结构 f i g 1 5 s t r u c t u r eo ft h em o d e l l i g a n d sf o rt h ea c t i v es i t eo fq d oa n dh o d 图1 6 c u e d m f 2 f n b a a 4 的结构 f i g 1 6 s t r u c t u r eo f c u 2 儿 d m f 2 n b a a 4 1 3 4 酸式还原酮 酸式二羟丙烯醛 双加氧酶 酸式还原酮 酸式二羟丙烯醛 双加氧酶 a c i r e d u c t o n ed i o x y g e n a s e 简称a r d 是从细菌到哺乳动物广泛存在的双加氧酶 a r d 与蛋氨酸 甲硫氨酸 合成路径 m e t h i o n i n es a l v a g e p a t h w a y m s p 有关的 而此路径对调节原核和真核生物的很多 9 栎精2 3 一双加氧酶模型配体及配合物的合成 表征及其反应性 重要的代谢物起关键作用 酸式还原酮是此路径循环中的一个中间体 a r d 有两种酶 一种含有n i i i 而另一种则含有f e i i 含n i i i 酸式还原酮双加氧酶 简称n ia r d 或a r d 是唯一已知的含有单核n i i i 活性中心的双加氧酶 它可以避开蛋氨酸合成 路径把酸式还原酮催化氧化为甲硫基羧酸 甲硫基丙酸盐 m e t h y l t h i o p r o p i o n a t e 甲 酸及一氧化碳 而含f e i i 酸式还原酮双加氧酶 简称f ea r d 或a r d 则通过蛋氨酸 合成路径把完全相同的底物酸式还原酮催化氧化为仪 酮酸 2 羰基 4 一甲硫基丁酸盐 2 k e t o 4 m e t h y l t h i o b u t y r a t e 和甲酸 图1 7 1 9 3 5 s o o h 2 0 o h m 4 o h 2 0 i n o h 厂气e o s p i i v o o s y 旷 八o o ho h o 人 ho h 图1 7a r d 与底物及分子氧的反应示意图 f i g 1 7 r e a c t i o ns c h e m eo f a r d 析mt h es u b s t r a t ea n dd i o x y g e n 这两种含n i i i 和含f e i i a r d 具有完全相同的氨基酸序列 多肽链 它们的去 金属蛋白都是由1 7 9 个氨基酸残基组成的多肽链 其质量为2 1 4k d a 它们的活性中心 金属离子均与相同的四个氨基酸残基配体 h i s 9 6 h i s 9 8 h i s l 4 0 g l u l 0 2 配位 而 剩余的两个配位位置由溶剂所占据形成p s e u d o o c t a h e d r a l 配位环境 有趣的是当这两种 a r d 没有与底物结合的状态 r e s t i n gs t a t e 下h i s 9 8 是配位在中心金属离子上 而在厌 氧条件下结合底物时h i s 9 8 则没有与中心金属离子直接配位 底物都以两价阴离子的形 式与金属离子双齿配位 但只因它们的活性中心金属离子不同 而且在局部蛋白质骨架 构象中存在微细的差异 导致当它们催化氧化完全相同的底物时 产物不同 反应性也 不同 2 7 3 1 1 虽然这两种a r d 的氨基酸序列和活性中心的配位环境完全相同 但它们的活性中 心金属的不同和在局部蛋白质骨架构象的微细差异被周围的蛋白质的高级结构所放大 竟然引起如此明显的结构和功能上的差异 导致从单一的多肽链给出结构和活性不同的 两种酶 当交换金属离子时 这两种酶的活性可以互相转化 2 7 31 j 这是迄今为止发现的 大连理工大学硕士学位论文 自然界中存在的唯一的一对只因金属离子不同而具有不同的物理和化学性质的金属酶 由于a r d 的这些独特的性质 因此从上一年代开始引起了科学家们的极大关注 近年来 有关酸式还原酮双加氧酶的模拟方面研究的最多的是美国犹他州的b e r r e a u 小组 b e r r e a u d 组先后采用n n b i s 6 p h e n y l 2 p y r i d y l m e t h y l n 一 2 一p y r i d y l m e t h y l a m i n e 6 p h 2 t p a t r i s 2 p y n d y l m e t h y l a m i n e t p a 等 图1 8 多胺类配体 51 j 合 成了酸式还原酮双加氧酶的模型配合物 研究了模型配合物及底物和分子氧的反应活 性 但是遗憾的是并没有g l u l 0 2 的羧基氧效应对还原酮双加氧酶的活性的影响 另外 还原酮双加氧酶因金属离子不同而具有不同的物理和化学性质的方面的模拟研究到目 前为止未见文献报道 t p a 6 p h 2 t p a 图1 8a r d 模型配体的结构 f i g 1 8 s t n j e t u r eo ft h em o d e ll i g a n d sf o rt h ea c t i v es i t eo fa r d 目前有关酸式还原酮双加氧酶的模拟方面研究还存在的另外一个难题 底物酸式还 原酮 酸式二羟丙烯醛 难提取并且合成也很困难 所以只能利用与天然底物具有相同 化学性质的模拟底物 目前用的较多的模拟底物有如图1 9 所示几种 合成也很困难 栎精2 3 一双加氧酶模型配体及配合物的合成 表征及其反应性 0 o o h o o h 图1 9a r d 模型底物的结构 f i g 1 9 s 仃u c t u i eo ft h em o d e ls u b s t r a t eo fa r d 1 4 栎精2 3 双加氧酶 广泛存在于自然界中的维管束植物中的黄酮醇类化合物 栎精是黄酮醇类化合物的 一种 是许多中草药和传统药物的活性组分 它们的生物活性主要体现抗炎和抗癌作用 方面 这可能是因为黄酮醇结合金属的能力或者是与0 2 发生反应 另一方面 了解这 些杂环化合物的氧化反应 可有助于更好的理解它们的生物功能和氧化降解的机理 栎精2 3 双加氧酶 q u e r c e t i n2 3 d i o x y g e n a s e 简称2 3 q d 是唯一己知的含有单核 铜活性中心 利用分子氧把栎精 q u e r c e t i n 也叫5 7 3 4